Какая единица измерения энергии?

Узнайте, какая единица измерения энергии используется в Международной системе единиц (СИ) и других системах единиц. Джоуль - основная единица измерения энергии, но также существуют эрги, килограмм-метры и калории. Познакомьтесь с различными единицами измерения энергии и их применением.

Энергия и ее измерение

Энергия является фундаментальной физической величиной, которая отражает способность системы выполнять работу. Работа, в свою очередь, является мерой изменения энергии системы. Таким образом, работа и энергия имеют одинаковые единицы измерения.

Единицы измерения энергии в Международной системе единиц (СИ)

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения энергии и работы является джоуль (Дж). Джоуль определяется как работа, совершаемая силой в один ньютон при перемещении точки приложения силы на один метр.

Таким образом, 1 джоуль равен 1 ньютон-метру (Н·м) или 1 килограмм-метру в квадрате в секунду в квадрате (кг·м²/с²).

Джоуль не является основной единицей СИ, но его можно выразить через основные единицы, используя механическое определение работы и единицы измерения соответствующих величин.

Механическое определение работы

Работа ($A$) определяется как произведение силы ($\overline{F}$), приложенной к объекту, и пути ($\overline{s}$), по которому сила действует:

$A=\overline{F}\cdot \overline{s}$ (1)

Таким образом, джоуль можно выразить через механическое определение работы:

$1\ Дж=1\ Н\cdot 1\ м$.

Определение энергии через массу и скорость света

Энергию также можно определить через массу ($m$) и скорость света ($c$) с использованием известного выражения:

$E=mc^2$ (2)

Исходя из этого выражения, можно убедиться, что джоуль имеет такую же размерность, как и единица измерения энергии:

$\left[A\right]=\left[E\right]=кг\cdot {\left(\frac{м}{с}\right)}^2=\frac{кг\cdot м^2}{с^2}$.

Таким образом, джоуль является единицей измерения энергии.

Пример использования джоуля для вычисления кинетической энергии

Для лучшего понимания величины джоуля, рассмотрим простую задачу: тело массой 2 кг движется со скоростью 1 м/с. Какова его кинетическая энергия?

Кинетическая энергия ($E_k$) тела может быть вычислена с использованием ее определения:

$E_k=\frac{mv^2}{2}$ (3)

Подставляя значения массы и скорости, мы получаем:

$E_k=\frac{2\cdot 1^2}{2}=1$ Дж.

Таким образом, кинетическая энергия данного тела равна 1 джоулю.

Единицы измерения энергии в других системах единиц

В СГС (сантиметр-грамм-секунда) системе единиц энергия измеряется в эргах (эрг). Один эрг равен работе, выполненной силой в один дин при перемещении на один сантиметр.

В технических расчетах иногда используется единица измерения энергии - килограмм-метр (кгм) или килограмм силы на метр (кгсм), равная 9,81 Дж.

При расчетах тепла часто используется единица измерения энергии - калория. Калория определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма чистой воды на 1 градус Цельсия. Величина 1 калории равна 4,1868 Дж.

В теплоэнергетике, коммунальных хозяйствах и системах отопления используется единица измерения энергии - гигакалория (Гкал).

Кроме того, энергию можно выразить в киловатт-часах (кВт·ч). Киловатт-час - это количество энергии, которую потребляет устройство с мощностью 1 киловатт в течение одного часа.

Единицы измерения энергии в мире элементарных частиц

Для измерения энергии в мире элементарных частиц используется электронвольт (эВ). Электронвольт - это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в один вольт. 1 электронвольт примерно равен 1,6·10^(-19) Дж.

Внутри ядер и элементарных частиц происходят явления, сопровождающиеся большими изменениями энергии. Для измерения таких величин используются мегаэлектронвольты (МэВ), гигаэлектронвольты (ГэВ) и тераэлектронвольты (ТэВ).

Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых проявляется внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для рождения самой тяжелой из известных частиц - топ-кварка - требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.

Также существуют абсолютно малые размеры, такие как фемтометры (фм). 1 фм равен 10^(-15) метру и используется для измерения размеров атомных ядер и частиц. Размер протона или нейтрона примерно равен 1 фм.

Взаимосвязь между шкалой расстояний и энергией позволяет использовать энергию для оценки размеров и изучения материи на масштабах. Например, фотон с длиной волны L имеет энергию E = c·h/L, где c - скорость света, а h - постоянная Планка. Это соотношение может быть использовано для оценки энергии, необходимой для изучения материи на определенном масштабе.

Вывод

Таким образом, джоуль является основной единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ). В других системах единиц, таких как СГС, энергия измеряется в эргах или килограмм-метрах. Также используются единицы измерения, специфические для теплоэнергетики, коммунальных хозяйств и мире элементарных частиц.

Что нам скажет Википедия?

Джо́уль (англ. Joule; русское обозначение: Дж; международное: J) — единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ). Джоуль равен работе, совершаемой силой в один ньютон при перемещении массы на расстояние одного метра в направлении действия силы. Таким образом, 1 Дж = 1 Н·м=1 кг·м²/с². В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.

В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы джоуль пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной. Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях других производных единиц, образованных с использованием джоуля. Например, обозначение единицы молярной внутренней энергии «джоуль на моль» записывается как Дж/моль.

Джоуль был введён в абсолютные практические электрические единицы в качестве единицы работы и энергии электрического тока на Втором международном конгрессе электриков, проходившем в год смерти Джеймса Джоуля (1889). Международная конференция по электрическим единицам и эталонам (Лондон, 1908) установила «международные» электрические единицы, в том числе «международный джоуль». После возвращения с 1 января 1948 к абсолютным электрическим единицам было принято соотношение: 1 международный джоуль = 1,00020 абсолютного джоуля. В Международную систему единиц (СИ) джоуль введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием системы СИ в целом.

Перевод в другие единицы

Кратные и дольные единицы

В соответствии с полным официальным описанием СИ, содержащемся в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ), десятичные кратные и дольные единицы джоуля образуются с помощью стандартных приставок СИ. «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в РФ тех же приставок.

Примеры

См. также

Примечания